UERJ/FEN/PEL e CComp/IME ASD Lista /2

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1 UERJ/FEN/PEL e CComp/IME ASD Lista /2 Ler e compreender o projeto Propor uma solução de um sistema distribuído de software para prover o suporte e componentes necessários para o funcionamento do sistema Os elementos no texto ressaltam os requisitos e problemas da aplicação. É importante neste exercício a sua proposta propor soluções para atender ao maior número de requisitos e problemas Para ajudar, aí vão alguns elementos a serem considerados na solução: o uma breve descrição da solução: abordagem, restrições, etc. o um diagrama dos elementos de software, onde executam, o que fazem o como funciona a troca de mensagens ente componentes: conteúdo, máquina de estados, características de sincronização. O capricho na elaboração e apresentação da solução pode ser considerado um plus. Mas, a solução, em si, deve ser consistente. SISTEMA DE ACOMPANHAMENTO DE UNIDADES MÓVEIS Autor do projeto original: EUGENIO CAMPOS HUGUENIN INTRODUÇÃO Um sistema que possibilite a plotagem 1 e o acompanhamento de Unidades Móveis, terrestres ou marítimas, permitindo a obtenção de informações em tempo-real como, por exemplo, a posição de um determinado navio no globo terrestre, apresenta grande complexidade. Por outro lado, tal sistema possibilitaria : a) Auxiliar o Socorro e Salvamento (SAR) de navios e embarcações Este sistema disponibilizaria a posição exata em que as unidades se encontravam na eventualidade de um acidente, e desta forma, poderíamos prover um apoio mais rápido às vítimas; 1 O termo plotagem é utilizado freqüentemente no meio náutico, e de acordo com [Aur86]: plotagem. S.f. Bras. Mar. Ato ou efeito de plotar(2). Plotar.[Do ingl. to plot.] V.t.d. 1. Mat. Locar (3). 2. Bras. Mar. Locar(2) numa carta náutica a posição de (embarcação, aeronave, alvo, etc.).

2 b) Melhorar a logística de emprego das unidades móveis De posse da localização das unidades, poderíamos empregá-las de forma mais eficiente, pois saberíamos qual unidade encontra-se mais próxima de determinado local, contribuindo para reduzir os gastos e o tempo de atendimento; c) Auxiliar na prevenção de acidentes marítimos, e servir de documento na avaliação e investigação de um eventual acidente A propriedade do sistema de plotar em tempo real as unidades móveis em uma carta náutica, permitir-nos-ia observar se determinada unidade está navegando em segurança. Além disso, um arquivo log ou uma trilha de auditoria pode ser gerado pelo sistema provendo dados que auxiliariam na investigação de determinado acidente. d) Melhor controle operativo de navios Mantendo o acompanhamento das unidades no sistema, verificaríamos se as rotas determinadas estão sendo cumpridas. Este trabalho tem o objetivo de implementar o sistema acima (considerando um subconjunto com no máximo 20 Unidades Móveis não considere este limite a priori. Apenas se você concluir que o mesmo é necessário), como por exemplo, um pequeno porto, uma Força Naval no mar, ou um pequena frota de rebocadores ou veículos, a um baixo custo, através de um software que receberá as informações do Sistema de Posicionamento Global - GPS, e as transmitirá via rádio para uma Central de Acompanhamento e Controle - CAC 2. O sistema pode ser melhor visualizado através da Figura 1, onde vemos dois navios em contato com uma CAC. 2 Neste texto, a CAC será freqüentemente chamada de Central. 2

3 NAVIO A NAVIO B CENTRAL DE ACOMPANHAMENTO E CONTROLE Figura 1 Visão geral do Sistema de Acompanhamento de Unidades Móveis Nesta figura, cada navio tem um equipamento de GPS que envia informações, como, a latitude, a longitude, o rumo e a velocidade do navio, para um computador (representado na figura por um laptop). Desta forma, este projeto envolve integrar em um sistema Java aspectos como receber dados do GPS via porta serial, e após trabalhar estes dados, transmitilos para a CAC via porta serial, modem e rádio. Além disso, como a transmissão via rádio é realizada em única freqüência-rádio, temos um meio físico compartilhado, sujeito a alta taxa de erros, e a CAC, e as Unidades Móveis devem estar preparadas para lidar com isto. 3

4 O Hardware O desenvolvimento do projeto foi baseado no seguinte material de Hardware: Modem Kamplus 98 da Kantronics; Rádio HF IC-1000 da ICOM; GPS GP-80 da Furuno; Tanto o modem, quanto o GPS, utilizam-se de porta serial para se conectarem a um computador. Desta forma, o computador a ser utilizado pela Unidade Móvel necessita de duas portas seriais, uma para receber os dados do GPS, e outra para receber e transmitir mensagens para a Central, conforme é mostrado na Figura 2. Como a Central não precisa enviar sua posição às Unidades Móveis, ela não precisa ter um GPS conectado a ela, bastando, assim, ter somente uma porta serial. Figura 2 Hardware da Unidade Móvel 4

5 SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO Além das interferências geradas pelo próprio equipamento, ou geradas por uma fonte externa, a propagação de ondas eletromagnéticas pela atmosfera terrestre está sujeita aos fenômenos de Refração, Reflexão, Difração, Absorção e Atenuação. Estes fenômenos influenciam as ondas de maneiras diversas, influenciando na qualidade do sinal propagado (relação sinal/ruído), no seu alcance e na incerteza da recepção pelo destinatário. A refração é a mudança na direção de propagação da onda, na sua passagem através de massas de ar de características diferentes, e é diretamente proporcional a freqüência da onda, ou seja, ondas de maior freqüência sofrem refração mais rapidamente. Toda onda eletromagnética sofre reflexão ao encontrar objetos em sua trajetória, sejam montanhas, prédios ou até mesmo a superfície terrestre e a chuva. Ondas de baixa freqüência tem grande poder de penetração e sofrem pouca reflexão, sendo inclusive usada em comunicação submarina. A difração, a absorção e a atenuação influenciam o alcance da onda rádio. Sendo a difração a perda de potência devido à onda passar junto a um obstáculo, a absorção a perda de potência para o próprio ambiente que ela atravessa, e a atenuação que é a diminuição da potência inversamente proporcional à distância percorrida pela onda. Além destes fenômenos já citados, temos ainda a influencia da Ionosfera, que é a região da atmosfera terrestre onde encontramos um grande número de íons. Esta camada tem maior influencia sobre ondas de baixa freqüência, fazendo-as inclinarem-se para baixo, alterando suas trajetórias de volta à terra, aumentando o alcance destas ondas. As características desta camada alteram-se conforme o período do dia e a atividade solar. Outra característica importante para a transmissão de dados via rádio é a largura de banda. Esta característica determina a quantidade máxima de informação que uma onda pode transportar. Quanto maior a freqüência, mais alta é a taxa de dados. 5

6 Na Tabela 1, podemos visualizar a influência destes fatores nas ondas eletromagnéticas, conforme a variação da freqüência. Ressalta-se que esta tabela apresenta a influencia de forma simplificada, e não estamos levando em consideração as faixas de freqüência em que os efeitos são maximizados ou minimizados. Tabela 1 Influência de fatores físicos e atmosféricos sobre a onda eletromagnética FATOR Refração Reflexão Difração Absorção Atenuação Efeito da Ionosfera Largura de Banda INFLUENCIA SOBRE A ONDA ELETROMAGNÉTICA Aumenta com o aumento da freqüência Aumenta com o aumento freqüência Diminui com o aumento freqüência Aumenta com o aumento freqüência Independe da freqüência Diminui com o aumento freqüência Aumenta com o aumento freqüência 2.1. O Espectro Eletromagnético Como as características das ondas de rádio dependem da freqüência, elas foram divididas em faixas de freqüência. Na Tabela 2, vemos a divisão do espectro das rádio freqüências. A escolha do uso de determinada faixa de freqüência depende das características que desejamos maximizar e das que desejamos minimizar, não existindo uma faixa obrigatória para determinado serviço. Tabela 2 Espectro das rádio-freqüências [Gom80] FAIXA Very Low Frequency (VLF) Low Frequency (LF) Medium Frequency (MF) High Frequency (HF) Very High Frequency (VHF) Ultra High Frequency (UHF) Super High Frequency (SHF) Extremely High Frequency (EHF) FREQUÊNCIAS 10 a 30 khz 30 a 300 khz 300 a khz 3 a 30 MHz 30 a 300 MHz 300 a MHz a MHz a MHz 6

7 Assim, as ondas VLF são muito usadas em comunicações submarinas devido a seu grande poder de penetração. As ondas HF e VHF são preferidas para comunicação a longa distância pelas suas características de reflexão e refração pela ionosfera. Já na comunicação satélite as faixas de SHF e EHF são mais utilizadas, pois possuem grande largura de banda e direcionalidade, apesar de sofrerem grande reflexão por chuva e nevoeiro. Mas as ondas eletromagnéticas não são empregadas somente para comunicação. Em um navio de guerra de emprego geral 3, por exemplo, utilizam-se ondas na freqüência de 5 KHz nos equipamentos de busca anti-submarino (sonares), ondas na freqüência de 4 GHz nos radares de busca aérea, nos quais o alcance tem grande importância, ondas de 20 GHz nos radares de direção de tiro, onde a direcionalidade e detalhamento do alvo são primordiais, e ondas de 9 GHz nos radares de navegação, pois nestes tanto o alcance como o detalhamento do contorno da costa são importantes. Conforme seu comportamento na atmosfera, as ondas também podem ser classificadas em ondas terrestres, celestes e diretas, como pode ser observado na Figura 3. Ionosfera Onda Celeste Onda Terrestre Onda Refratada Zona de Sombra Figura 3 O comportamento das ondas rádio As ondas diretas são aquelas que propagam em linha reta, as ondas terrestres seguem o contorno da superfície terrestre, e as celestes têm sua trajetória 3 Quando falamos de emprego geral, significa que este navio pode ser empregado nos 3 ambientes da guerra naval: aéreo, superfície e submarino. 7

8 para o alto. Uma onda HF originada em uma antena Omnidirecional 3, por exemplo, uma parcela de sua onda é terrestre, e sofre grande perda por absorção. Outra parte sofre refração na ionosfera e volta para a superfície da Terra, alcançando maiores distâncias. E o restante da onda, cujo ângulo de incidência na ionosfera foi menor que o ângulo crítico, que são ondas celestes, atravessam a ionosfera. Na Figura 3, também podemos observar uma Zona de Sombra, que está além do alcance das ondas terrestres e aquém do alcance das ondas refratadas na ionosfera, e onde não haveria recepção da antena transmissora. Observa-se então que a recepção de um sinal e sua qualidade depende de diversos fatores externos intrínsecos ao ambiente. Assim, tomando como exemplo o sistema proposto neste trabalho, o fato da CAC estar recebendo a solicitação de entrada de uma unidade móvel, não significa que a unidade móvel receberá a resposta da Central. Isto ocorre porque as ondas eletromagnéticas podem percorrer caminhos diferentes entre o transmissor e o receptor. Logo, o sistema proposto deve estar preparado para identificar tais problemas e, se for possível, poder tratá-los, ou caso contrário, não deixar o sistema inconsistente. Outro problema é quanto a sincronização entre a transmissão e a recepção, pois como geralmente o mesmo equipamento é usado para a transmissão e recepção dos sinais em uma mesma freqüência, duas estações não podem transmitir ao mesmo tempo, pois neste caso não haverá recepção por nenhuma das estações Comparação entre Tecnologias Primeiro, falaremos sobre o custo. Os equipamentos de UHF são pequenos e baratos, sendo freqüentemente utilizados em veículos e embarcações pequenas, e sua antena pequena é de fácil instalação. Os equipamentos de VHF e HF também são comuns e baratos, além de serem obrigatórios para navios. Apesar de suas 3 Antena Omnidirecional é aquela na qual a onda eletromagnética propaga-se em todas as direções. 4 Devido a somente uma estação poder transmitir em determinado momento é que usa-se a palavra câmbio ao final de uma transmissão para indicar que outra estação poderá transmitir. 8

9 antenas chegarem a ter 25 metros de comprimento, considerando antenas padrão de ¼ do comprimento de onda, tal tamanho é irrelevante para um navio cujo comprimento é bem maior. Além disso, uma vez adquirido o equipamento, não há custo adicional para sua utilização, tais como gastos com operadoras locais, ou pela utilização de satélites. A freqüência de HF tem grande alcance, chegando a milhares de milhas náuticas 5, dependendo das condições atmosféricas, e as ondas em VHF e UHF, apesar de terem curto alcance, limitadas praticamente pelas ondas diretas, possuem maior largura de banda, e são as mais utilizadas durante a entrada e a saída de um navio do porto. Para falarmos da flexibilidade iremos recorrer novamente ao exemplo do sistema proposto neste trabalho. Este sistema deve ser idêntico para qualquer porto nacional ou estrangeiro, independente da tecnologia de transmissão de dados utilizada. Se utilizássemos a rede de telefonia celular, por exemplo, teríamos que utilizar uma operadora local em cada porto, aumentando nosso custo de utilização do sistema. A comunicação via satélite, apesar de ter alcance mundial, maior largura de banda, e melhor relação sinal ruído, são de custo elevado tanto para instalação, como para utilização. Já a comunicação através da rede de telefonia móvel possui excelente taxa de transmissão de dados, no entanto, sua abrangência está mais voltada para a área terrestre que para a área marítima, tendo um alcance de pouquíssimas milhas a partir da costa, e para utilizá-la temos que ter acesso a uma operadora local, o que aumentaria o custo, inclusive para utilização por unidades móveis terrestres. Em nosso projeto queremos maximizar o alcance, e minimizar o custo, além de termos a flexibilidade de podermos usá-la em qualquer local, assim, escolheu-se usar rádio-transmissores comuns de HF, VHF e UHF neste projeto e não uma outra tecnologia, como transmissão via satélite ou a rede de telefonia móvel. 5 1 milha náutica é igual a 1,852 km. 9

10 ELEMENTOS DA ARQUITETURA DO SISTEMA O SAUM está dividido em dois sistemas menores: o Sistema da Unidade Móvel e o Sistema da Central de Acompanhamento e Controle (CAC), sendo que este último será chamado de Sistema da Central. Apesar destes sistemas possuírem diversos componentes em comum, eles possuem determinadas peculiaridades que motivaram a divisão, as quais tornar-se-ão visíveis no decorrer deste capítulo. É importante salientar que durante o desenvolvimento do projeto, 3 orientações devem ser observadas: a) Incerteza da recepção Como já visto (O Espectro eletromagnético), apesar de uma estação estar recebendo a transmissão de outra, não significa que o inverso seja verdadeiro. Desta forma, no sistema SAUM, o fato da Central estar recebendo o pedido de conexão de uma unidade móvel, não significa que a unidade móvel receberá a resposta da Central. b) A saída inesperada de uma unidade móvel Diversos problemas podem ocorrer se uma determinada estação por problemas técnicos sair do sistema sem fazer esta solicitação, e retornasse em seguida. Nosso sistema tem que se manter consistente nestes casos. c) Sincronização - Também já foi falado (O Espectro eletromagnético) que somente uma estação deve transmitir por vez. Assim, deve-se criar mecanismos para que a sincronização entre transmissor e receptores seja garantida, evitando conflitos na transmissão. No SAUM, usam-se duas formas de resolver este conflito, de forma a evitar que duas estações transmitam ao mesmo tempo: Time-Slice Pooling Para Ilustrar essas formas, podemos usar o exemplo de uma entrevista para emprego, onde cada candidato tem um minuto para responder uma pergunta. O entrevistador poderá usar o Time-Slice, onde ele divulga anteriormente uma lista com a ordem e o respectivo minuto em que os candidatos deverão falar, então ele faz a pergunta e automaticamente os candidatos vão respondendo, cada um em sua fatia de tempo. Mas o 10

11 entrevistador pode querer manter em segredo a ordem em que os candidatos responderão a pergunta, e neste caso, poderá usar Pooling, ou seja, ele faz pergunta e chama um candidato para responder, em seguida ele divulga o segundo candidato e o chama para responder, depois o terceiro, e assim até terminarem os candidatos. Maiores detalhes serão discutidos mais adiante. A Central freqüentemente verifica as Unidades Móveis que estão sem enviar a posição por um determinado período de tempo, 10 minutos, por exemplo, e interroga estas Unidades Móveis para enviarem sua posição (Pooling), e no caso de não haver resposta, esta Unidade Móvel é retirada do sistema. Cenários Espera-se de todo sistema determinados comportamentos, ou seja, que ao ocorrer determinado evento, ele realize determinada seqüência de ações observáveis para alguém fora do sistema. Cada um destes comportamentos é chamado de Caso de Uso, e um sistema pode possuir diversos Casos de Uso. Os Casos de Uso possuem cenários, que são as seqüências de ações que mostram determinado comportamento do sistema. Temos o Cenário Básico que é aquele onde as seqüências de ações ocorrem sem problemas, onde nenhum erro ocorre, e temos os Cenários Alternativos, que são variações de um Cenário Básico. Assim, na interação da Unidade Móvel com a Central, se tudo corresse sem problemas, teríamos os Cenários Básicos apresentados na Tabela 3. No entanto, como o meio físico empregado é a transmissão via rádio em única freqüência-rádio, temos um meio físico compartilhado, sujeito a alta taxa de erros, e assim, durante todo o seu funcionamento, o sistema proposto terá que lidar com diversos Cenários Alternativos que poderão ocorrer da interação da Unidade Móvel com a Central. No entanto, como o meio físico empregado é a transmissão via rádio em única freqüência-rádio, temos um meio físico compartilhado, sujeito a alta taxa de erros, e assim, durante todo o seu funcionamento, o sistema proposto terá que lidar com diversos Cenários Alternativos que poderão ocorrer da interação da Unidade Móvel com a Central. 11

12 Tabela 3 Cenários básicos da interação da Unidade Móvel com a Central Caso de Uso Unidade Móvel pede para entrar no SAUM Unidade Móvel envia posição atualizada para a Central Unidade Móvel pede para sair no SAUM Cenário Básico 1- A Unidade Móvel envia uma mensagem para a Central solicitando a sua entrada no sistema; 2- A Central recebe a mensagem da Unidade Móvel; 3- A Central coloca a Unidade Móvel numa posição vaga; 4- A Central retorna para a Unidade Móvel uma mensagem [...]; 5- A Unidade Móvel recebe da Central a mensagem [...]; 6- A Unidade Móvel ajusta [...]. 1- A Unidade Móvel faz a leitura do GPS e atualiza sua posição; 2- A Unidade Móvel envia uma mensagem para a Central com a sua posição atualizada; 3- A Central recebe a mensagem da Unidade Móvel; 4- A Central faz a plotagem da posição atualizada da Unidade Móvel. 1- A Unidade Móvel envia uma mensagem para a Central informando a sua saída do sistema; 2- A Central recebe a mensagem da Unidade Móvel; 3- A Central retira a Unidade Móvel do sistema e libera uma posição vaga; Na Tabela 4 são listados alguns dos Cenários Alternativos, cujas soluções serão descritas no decorrer deste trabalho. No caso de se considerar um subconjunto com no máximo 20 Unidades Móveis, assim, no caso de mais de 20 Unidades Móveis tentarem entrar em contato com a Central, teríamos a ocorrência do Cenário 1. O Cenário 2 e o Cenário 3 ocorrem devido a incerteza da recepção. Nestes dois cenários, temos Unidades Móveis que já estavam em contato com a Central, e que após um determinado momento, uma estação passa a não receber mais a transmissão da outra. No Cenário 2, a Central deixa de receber as mensagens da Unidade Móvel, e no Cenário 3 é a Unidade Móvel quem deixa de receber as transmissões da Central. Já no Cenário 4 temos uma falta de sincronização, que pode ocorrer entre Unidades Móveis que já estão em contato com a Central e/ou entre Unidades 12

13 Móveis que estejam tentando entrar em contato com a Central. Parte deste problema é solucionado com a utilização de Time-Slice e Pooling, e já foi visto no início deste capítulo. Tabela 4 Cenários Alternativos Cenário 1 Cenário 2 Cenário 3 Cenário 4 Cenários Alternativos A Unidade Móvel pede para entrar no sistema e não há vaga disponível. Uma Unidade Móvel que está no sistema passa a não receber mensagens da Central. A Central não recebe mensagens de uma Unidade Móvel que está no sistema. Duas ou mais Unidades Móveis transmitem suas mensagens no mesmo horário. Conclusão A Figura 32 apresenta a síntese do sistema proposto: Sistema da Unidade Móvel - Um software sendo executado em uma Unidade Móvel, que receba o sinal de um equipamento de GPS e transmita a posição, rumo e velocidade desta Unidade Móvel para uma Central (CAC), utilizando um modem e aparelho de radio em VHF ou UHF; Sistema da Central - Um software sendo executado em uma Central que coordene as Unidades Móveis que queiram entrar em contato com a Central, e que receba as informações de Unidades Móveis a fim de fazer a plotagem da posição atualizadas destas Unidades Móveis em uma carta de plotagem. 13

14 Figura 32 Síntese do sistema A Tabela 15 apresenta alguns problemas que surgiram durante o desenvolvimento deste trabalho, com as respectivas soluções, e a seção onde se discute o problema. Tabela 15 Problemas e Soluções durante o desenvolvimento do trabalho Problemas Soluções Sincronia entre as Unidades Móveis e a Central Usar o horário do sistema GPS Transmissão nos horários adequados Formato de mensagem Conflitos na transmissão Compartilhamento de informações entre as Threads Utilizar a classe Timer para gerar interrupções nos horários adequados Todas as mensagens com tamanho 9, exceto a mensagem de dados. Mensagem de Pooling com o valor de 1 Período do sistema de 1 minuto dividido em 3 parcelas Usar monitores Para o futuro, pode-se propor: As Unidades Móveis também terem a plotagem e as informações das outras Unidades Móveis; As Unidades Móveis poderem trocar mensagens entre si ou via Central; 14

15 Expandir o período do sistema, de forma a aumentar o numero de posições vagas do sistema; Automaticamente aumentar ou reduzir o período do sistema conforme o numero de Unidades Móveis; Usar criptografia nas mensagens para prover a segurança das informações; Prover um Banco de Dados com a informação de todas as Unidades Móveis; REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [Badd05] Baddeley, Glenn. GPS - NMEA sentence information. Disponível [Online] January 16, [Benn03] Bennett, Peter. NMEA FAQ by Peter Bennett. Disponível [Online] January 16, [Booch00] Booch, Grady; Rumbaugh, James; Jacobson, Ivar; UML Guia do Usuário, Elsevier Editora Ltda, São Paulo, [Deitel00] Deitel, H.M.; Deitel, P.J.; Java Como Programar, Bookman Companhia Editora, Porto Alegre, [Coop98] Cooper, James W. The Design Patterns Java Companion. Disponível [Online] January 16, [Gom05] Gomes, Daniel V., Uma introdução à programação serial em Java. Disponível [Online] January 16, [Gom80] Gomes, C.R. Caminha, A Prática da Navegação, Vol. 2, p.117, Oficinas Gráficas do Sindicato Nacional dos Oficiais e de Práticos da Marinha Mercante, Rio de Janeiro, [JAVA05] MUNDO JAVA. Java no dia-a-dia. Curitiba: Editora Mundo, n.13, dez p. 15

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